(57)【要約】【課題】燃料電池発電の効率化を図りつつ、バッファ用電池の状態に応じた充電方法を選択的に切り替えることにより、効率化と安定化を図ることができる燃料電池システムを提供するものである。【解決手段】リチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧未満の場合、燃料電池１の出力電圧が第１の設定電圧となるように燃料電池の出力電流の制御を行なう第１の充電回路２０１と、リチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧以上の場合、燃料電池１の出力電圧が低下しないように電流制御するとともに、リチウムイオン電池３への充電電圧を第１の充電電圧に保持する定電圧充電制御を行なう第２の充電回路２０２とを備え、第１の充電回路２０１と第２の充電回路２０２のうちいずれか一方を選択して、リチウムイオン電池３の充電を行うものである。【選択図】図１
2007299532.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、
充電可能な二次電池と、
前記燃料電池で発生された電力を、昇圧して前記二次電池に充電させる昇圧充電回路とを備えた燃料電池システムであって、
前記昇圧充電回路は、
前記二次電池の端子電圧が第１の充電電圧未満の場合、前記燃料電池の出力電圧が第１の設定電圧となるように前記燃料電池の出力電流の制御を行なう第１の充電回路と、
前記二次電池の端子電圧が第１の充電電圧以上の場合、前記燃料電池の出力電圧が第１の設定電圧以下へ低下することを防止するよう電流制御するとともに、前記二次電池への充電電圧を第１の充電電圧に保持する定電圧充電制御を行なう第２の充電回路とを備え、
前記第１の充電回路と前記第２の充電回路のうちいずれか一方を選択して、前記二次電池の充電を行うことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記昇圧充電回路は、前記第２の充電回路で前記二次電池の充電中に、前記二次電池の端子電圧が前記第１の充電電圧より低く設定した第２の充電電圧に低下した場合、前記第１の充電回路で前記二次電池の充電を行うよう切り替える請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１の充電回路は、
基準電圧源と、
前記基準電圧源の出力電圧と前記燃料電池の端子電圧とを比較し、その誤差電圧が出力される誤差増幅回路と、
前記誤差増幅回路から出力される誤差電圧によってデューティ比が可変されたパルスが出力されるＰＷＭ制御回路と、
前記ＰＷＭ制御回路から出力されるパルスによってオンまたはオフに切り換えられ、前記二次電池の充電電流を増減させるスイッチとを備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記第２の充電回路は、
基準電圧源と、
前記基準電圧源の出力電圧と前記燃料電池の端子電圧とを比較し、その誤差電圧が出力される誤差増幅回路と、
前記誤差増幅回路から出力される誤差電圧によって、オンまたはオフに切り換えられるダイオードと、
前記二次電池の端子電圧を分圧する分圧抵抗と、
前記ダイオードの出力電圧、または前記分圧抵抗で分圧された電圧によって、デューティ比が可変されたパルスが出力されるＰＷＭ制御回路と、
前記ＰＷＭ制御回路から出力されるパルスによってオンまたはオフに切り換えられ、前記二次電池の充電電流を増減させるスイッチとを備えた請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項５】
燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、
充電可能な二次電池と、
前記燃料電池で発生された電力を、昇圧して前記二次電池に充電させる昇圧充電回路とを備えた燃料電池システムであって、
前記昇圧充電回路は、
基準電圧源と、
前記基準電圧源の出力電圧と前記燃料電池の端子電圧とを比較し、その誤差電圧が出力される誤差増幅回路と、
前記誤差増幅回路から出力される誤差電圧によって、オンまたはオフに切り換えられるダイオード特性を持ったダイオード回路と、
前記二次電池の端子電圧を分圧する分圧抵抗と、
前記ダイオード回路の出力電圧を、または前記分圧抵抗で分圧された電圧によってデューティ比が可変されたパルスが出力されるＰＷＭ制御回路と、
前記ＰＷＭ制御回路から出力されるパルスによってオンまたはオフに切り換えられ、前記二次電池の充電電流を増減させるスイッチとを備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
前記二次電池は、リチウムイオン電池で構成されている請求項１または５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記燃料電池の燃料は、アルミニウム粉と水とから発生させた水素で構成されている請求項１または５記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水と水素発生物質とを反応させて水素を発生させて発電を行う燃料電池システムに関する。特に、燃料電池で発生した電力を蓄電装置（リチウムイオン電池）に蓄電させる燃料電池システムに好適である
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、携帯電話端末などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れるリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証するまでには至っていない。
【０００３】
このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、固体高分子型燃料電池がある。固体高分子型燃料電池は、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料（水素、メタノール等）がそれぞれ用いられ、リチウムイオン電池よりも高エネルギー密度化が期待できる系として注目されている。このような燃料電池において、その水素供給源として、アルミニウム粉と水とを反応させて水素を発生させることが、特許文献１などで提案されている。この場合、アルミニウム粉に水を添加し加熱することにより、１００℃以下の低温で水素を発生させることができるので、携帯用燃料電池に好適である。実際には、燃料の供給、すなわち水素の生成量の迅速な加減制御が困難であるため、燃料電池出力を二次電池（リチウムイオン電池等）に蓄電させるように構成することで、小型の携帯用燃料電池システムとして利用が容易となる。一般的な燃料電池は、電解質とそれを挟む一対の電極とで構成される単位であるセル（基本電池）を、複数個直列接続してスタックを形成している。複数のセルを直列接続することで、出力電圧を高めている。
【０００４】
また、一般的に固体高分子型燃料電池の出力電圧は、１セル当たり１Ｖ以下となることが多く、それに対しリチウムイオン電池は３．６Ｖ程度の電圧である。リチウムイオン電池は、自己放電が少なく、重量当たりの蓄電量が大きい等の理由から、燃料電池で発電された電力を蓄積するバッファとして好適である。リチウムイオン電池を燃料電池システムのバッファとして利用する場合、複数のセルをシリーズ化して発生電圧を高電圧化するか、燃料電池で発生した電圧を昇圧回路により高電圧に変換した後に、リチウムイオン電池に充電させる必要がある。
【０００５】
ところで、このような燃料電池と二次電池とを組み合わせた燃料電池システムの一例は、特許文献２及び３に開示されている。特許文献２には、燃料電池の発電効率が最大になるように燃料電池出力電圧を制御しており、使用時間の長時間化が期待できる構成が開示されている。また、特許文献３には、二次電池の充電についての配慮がなされており、満充電判定を行って二次電池を充電することにより、電池の残容量等の管理を行う構成が開示されている。
【特許文献１】特開２００４−２３１４６６号公報
【特許文献２】特開２００２−１８４４４３号公報
【特許文献３】特開２００５−２９５７０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら上記特許文献１から３に開示された構成では、燃料電池における発電、およびリチウムイオン電池に対する充電を、効率よく行うことができないという問題があった。
【０００７】
例えば、特許文献２には、発生させた水素を用いて燃料電池を如何に効率よく発電させるかについて記載されているが、リチウムイオン電池の残量や充電状況に応じて適切な充電を行う構成については開示されていない。
【０００８】
また、特許文献３には、外部負荷がオフとなった場合に満充電判定を行って充電を制御すること（すなわち二次電池の充電管理）が記載されているが、燃料電池は急速な水素発生制御が困難なため、外部負荷の有無によらず発生した水素とリチウムイオン電池の状態とに基づく充電管理を行なう必要があり、この点に関しての配慮が不十分である。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑み、燃料電池発電の効率化を図りつつ、二次電池の状態に応じた充電方法を選択的に切り替えることにより、効率化と安定化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために本発明の燃料電池システムでは、燃料を化学反応させて発電可能な燃料電池と、充放電可能な二次電池と、前記燃料電池で発生された電力を、前記二次電池に充電させる充電回路とを備えた燃料電池システムであって、前記充電回路は、前記二次電池の端子電圧が第１の充電電圧未満の場合、前記燃料電池の出力電圧が第１の設定電圧となるように前記燃料電池の出力電流の制御を行なう第１の充電回路と、前記二次電池の端子電圧が第１の充電電圧以上の場合、前記燃料電池の出力電圧第１の設定電圧以下へ低下することを防止するよう電流制御するとともに、前記二次電池への充電電圧を第１の充電電圧に保持する定電圧充電制御を行なう第２の充電回路とを備え、前記第１の充電回路と前記第２の充電回路のうちいずれか一方を選択して、前記二次電池の充電を行うものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、効率化や安定化を確保した燃料電池システムを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の燃料電池システムは、前記二次電池は、リチウムイオン電池で構成することが好ましい。
【００１３】
また、前記燃料電池の燃料は、アルミニウム粉と水とから発生させた水素で構成することが好ましい。
【００１４】
また、前記充電回路は、前記第２の充電回路で前記二次電池の充電中に、前記二次電池の端子電圧が前記第１の充電電圧より低く設定した第２の充電電圧に低下した場合、前記第１の充電回路で前記二次電池の充電を行うよう切り替えるよう構成することが好ましい。
【００１５】
また、前記第１の充電回路は、基準電圧源と、前記基準電圧源の出力電圧と前記燃料電池の端子電圧とを比較し、その誤差電圧が出力される誤差増幅回路と、前記誤差増幅回路から出力される誤差電圧によってデューティ比が可変されたパルスが出力されるＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ制御回路から出力されるパルスによってオンまたはオフに切り換えられ、前記二次電池の充電電流を増減させるスイッチとを備えた構成とすることが好ましい。
【００１６】
また、前記第２の充電回路は、基準電圧源と、前記基準電圧源の出力電圧と前記燃料電池の端子電圧とを比較し、その誤差電圧が出力される誤差増幅回路と、前記誤差増幅回路から出力される誤差電圧によって、導通または非導通に切り換えられるダイオードと、前記二次電池の端子電圧を分圧する分圧抵抗と、前記ダイオードの出力電圧、または前記分圧抵抗で分圧された電圧によって、デューティ比が可変されたパルスが出力されるＰＷＭ制御回路と、前記ＰＷＭ制御回路から出力されるパルスによってオンまたはオフに切り換えられ、前記二次電池の充電電流を増減させるスイッチとを備えた構成とすることが好ましい。
【００１７】
本発明によれば、低い出力電圧で、急速な出力制御の困難な燃料電池を有する燃料電池システムにおいて、燃料電池の効率を高める設定電圧に基づき燃料電池の出力電流を制御し、また、過度の燃料電池出力電圧の低下を引き起こさないようにしつつリチウムイオン電池を満充電状態まで充電制御することにより、効率化や安定化を確保した燃料電池システムを実現することができる。
【００１８】
また、燃料電池のセルを多数使用する場合、形態的に大きなものとなり、可搬性に支障をきたすため、燃料電池とリチウムイオン電池と昇圧回路を有する燃料電池システムが、アルミニウム粉を用いた燃料電池システムとして好適であるとして提案する。
【００１９】
（実施の形態１）
まず、本実施の形態における燃料電池システムの概要について説明する。
【００２０】
図１は、実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１において、燃料電池システムは、燃料電池１と昇圧充電回路２とリチウムイオン電池３と出力端子４とを備えている。燃料電池１は、水素発生部１０１と固体高分子型燃料電池１０４（以下、ＰＥＦＣと称する。ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）とを備えている。昇圧充電回路２は、第１の充電回路２０１と第２の充電回路２０２と切換回路２０３とを備えている。
【００２２】
水素発生部１０１は、アルミニウム粉１０２に水を添加し加熱することにより、水素１０３を発生させている。発生された水素１０３は、ＰＥＦＣ１０４に供給されている。
【００２３】
ＰＥＦＣ１０４は、電解質とそれを挟む一対の電極（正極・負極）とで構成されたセルを、複数個備えてスタックを形成している。電解質には、固体高分子電解質が使われている。また、正極には正極活物質である空気中の酸素が供給され、負極には負極活物質である燃料（水素、メタノール）が供給されている。負極には、水素発生部１０１で発生した水素１０３が供給される。この構成において、負極活物質の水素イオンが電解質を通って正極側へ移動し、酸素分子と結合する時に、外部回路中を電子が移動し発電される。なお、ＰＥＦＣ１０４において使用される電解質、正極活物質、負極活物質の構成は、上記に限定されるものではない。
【００２４】
第１の充電回路２０１は、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧未満の場合に、リチウムイオン電池３の充電を行う回路である。具体的な充電制御は、ＰＥＦＣ１０４の出力電圧が第１の設定電圧となるようにＰＥＦＣ１０４から電流を取り出す電流制御を行ない、それを昇圧し、充電電流としてリチウムイオン電池３に充電する。その際、第１の設定電圧は、燃料電池１の出力効率を高める電圧に設定されていることにより、効率化を図ることができる。
【００２５】
第２の充電回路２０２は、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧に達した場合に切換回路２０３によって選択され、第１の充電電圧を維持するように昇圧充電回路２の出力電圧を制御し、リチウムイオン電池３の充電を行う回路である。その際、同時に、燃料電池１の出力電圧を監視し、出力電圧が第１の設定電圧以下とならないように昇圧動作を制限している。すなわち、リチウムイオン電池３の出力増加により昇圧充電回路２が燃料電池１の出力電流を増加させようとした場合でも、それを阻止することにより燃料電池１の出力電圧の低下を防止している。
【００２６】
切換回路２０３は、リチウムイオン電池３の両端端子電圧に基づき、第１の充電回路２０１と第２の充電回路２０２のうちいずれかを選択するよう切り替える回路である。本実施の形態では、リチウムイオン電池３の両端端子電圧が第１の充電電圧未満の時は第１の充電回路２０１を選択し、第１の充電電圧以上の時は第２の充電回路２０２を選択するように切り換えている。なお、切換回路２０３は、スイッチ素子の接点の接続／非接続で切り換える構成や、トランジスタやダイオードなどの半導体素子のオン／オフで切り換える構成などが考えられる。また、切換回路２０３は、リチウムイオン電池３の両端端子電圧と第１の充電電圧との比較に基づいて切り換えられている構成の他に、第１の充電電圧よりも低い第２の充電電圧を設定し、端子電圧が第１の充電電圧に到達した時は第２の充電回路２０２に切り換え、端子電圧が第２の充電電圧まで低下した時は第１の充電回路２０１に切り換えるように構成してもよい。
【００２７】
出力端子４は、負荷（携帯端末の電源回路など）が接続される端子であり、出力端子４に電源回路などを接続させることで、リチウムイオン電池３から電源回路へ給電が行われ、携帯端末を動作させることができる。
【００２８】
以下、動作を簡単に説明する。
【００２９】
燃料電池１において、水素発生部１０１でアルミニウム粉１０２と水とによって発生された水素１０３は、ＰＥＦＣ１０４へ供給され、ＰＥＦＣ１０４において発電される。ＰＥＦＣ１０４から出力される電圧は、昇圧充電回路２により昇圧され、リチウムイオン電池３に充電される。昇圧充電回路２は、リチウムイオン電池３を充電するにあたって、リチウムイオン電池３の両端で測定される電圧に基づき切換回路２０３が切り替えられて、第１の充電回路２０１または第２の充電回路２０２で充電が行われる。
【００３０】
なお、切換回路２０３は、予め設定されている第１の充電電圧と、リチウムイオン電池３の端子電圧とを比較し、第１の充電回路２０１と第２の充電回路２０２のうちいずれか一方を選択するよう切り替えられている。
【００３１】
また、昇圧充電回路２において、リチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧未満の場合は、第１の充電回路２０１が選択される。第１の充電回路２０１は、ＰＥＦＣ１０４の出力電圧が第１の設定電圧となるように、ＰＥＦＣ１０４から電流を取り出す電流制御を行ない、それを昇圧し、充電電流としてリチウムイオン電池３に充電する。
【００３２】
一方、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧に達した場合は、第２の充電回路２０２が選択され、第１の充電電圧を維持するように昇圧充電回路２の出力電圧を制御し、リチウムイオン電池３の充電が行われる。その際、同時に、ＰＥＦＣ１０４の出力電圧を監視し、ＰＥＦＣ１０４の出力電圧が第１の設定電圧以下にならないように制御されている。すなわち、リチウムイオン電池３から出力端子４に出力される電力が増加し、昇圧充電回路２がＰＥＦＣ１０４の出力電流を増加させようとした場合でも、第２の充電回路２０２によってそれが阻止されることにより、ＰＥＦＣ１０４の出力電圧の低下を防止している。つまり、リチウムイオン電池３の充電電圧が、第１の充電電圧と一致あるいは近似する電圧になるように、定電圧充電制御（ＣＶ充電）が行われている。
【００３３】
このように、昇圧充電回路２は、充電時にリチウムイオン電池３の端子電圧を測定し、第１の充電電圧未満の場合は第１の充電回路２０１で充電が行われ、第１の充電電圧以上の場合は第２の充電回路２０２によって充電が行われる。また、第１の充電回路２０１で充電中に、端子電圧が第１の充電電圧に到達した時は、第２の充電回路２０２に切り替えられる。
【００３４】
次に、負荷接続時の動作を説明する。
【００３５】
負荷に給電を行う場合、まずリチウムイオン電池３から出力端子４を介して、負荷に電流が流れる。この時、燃料電池１の水素発生部１０１において、アルミニウム粉１０２からの水素発生の開始や停止に時間を要するため、リチウムイオン電池３の端子電圧は低下する。リチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧未満に低下すると、切換回路２０３は第１の充電回路２０１を選択するよう切り換えられ、第１の充電回路２０１は燃料電池１の出力電流を制御してリチウムイオン電池３の充電が行われる。充電中にリチウムイオン電池３の端子電圧が第１の充電電圧に到達したら、切換回路２０３は第２の充電回路２０２を選択するよう切り換えられ、リチウムイオン電池３は第２の充電回路２０２によって定電圧充電（ＣＶ充電）が行われる。
【００３６】
また、燃料電池１からの電力供給を停止させる際、水素発生部１０１における水素発生動作を停止させる必要があるが、水素発生部１０１の水素発生動作を停止させても、すぐにＰＥＦＣ１０４への水素供給は停止されず、水素１０３の供給がしばらく継続される。したがって、ＰＥＦＣ１０４においては発電動作が継続され、昇圧充電回路２の動作によりリチウムイオン電池３の充電が進んでしまう。しかし、充電が進行し、リチウムイオン電池３が満充電状態近くになったとしても、切換回路２０３によって第１の充電回路２０１から第２の充電回路２０２に切り替えられることにより、定電圧充電によって充電電圧の上昇を抑えつつ、燃料電池１の出力電圧の低下を防止しながら充電が継続される。すなわち、充電動作による燃料電池１の出力電圧の過度の低下を防止しつつ、リチウムイオン電池３の過充電を防止している。
【００３７】
以上のような燃料電池システムによれば、燃料電池１において水素発生に時間を要する場合でも、負荷変動に対応した充電を行うことができる。また、効率的で、機器の保護を配慮した充電を行うことができる。
【００３８】
次に、昇圧充電回路２の具体構成について説明する。
【００３９】
昇圧充電回路２は、入力される直流電流を昇圧して出力する回路であり、ＤＣ−ＤＣコンバータのような動作を行う回路である。まずは、一般的な昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成について説明する。
【００４０】
図７は、昇圧形のＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。図７において、ＤＣ−ＤＣコンバータ５０には、電源５１と負荷５２とが接続されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ５０は、ＰＷＭ制御回路６０と変換回路７０と分圧抵抗５３及び５４とを備えている。ＰＷＭ制御回路６０は、基準電源６１、誤差増幅器６２、スイッチ制御回路６３を備えている。変換回路７０は、インダクタ７１、ダイオード７２、スイッチ７３を備えている。
【００４１】
以下、動作を簡単に説明する。
【００４２】
図７において、スイッチ制御回路６３はスイッチ７３をオン／オフするよう切換制御する回路であり、スイッチ７３がＦＥＴ（電界効果トランジスタ）等で構成されている場合、通常、一定周期のパルスを出力し、そのデューティ比を誤差増幅回路６２からの出力により変化させる回路である。本例では、誤差増幅回路６２の出力が高くなった場合はオンの期間を長くし、より負荷に電力を供給する動作を行うように構成されている。
【００４３】
負荷５２の両端電圧Ｖoutを分圧抵抗５３及び５４により分圧した電圧Ｖ1と、基準電源６１の電圧ＶR3とは、誤差増幅回路６２に入力され、両電圧を比較しその誤差電圧が出力される。ここで、負荷５２の電圧Ｖoutが高く、分圧された電圧Ｖ1が基準電源６１の電圧ＶR3よりも高い場合、誤差増幅回路６２の出力が低下し、スイッチ制御回路６３によるスイッチ７３のオンの期間が短く（デューティ比が低く）なるよう制御される。これにより、負荷５２への電力供給が低下し、出力電圧Ｖoutを低下させるように制御が行なわれる。
【００４４】
なお、変換回路７０では、スイッチ７３がオンになっている期間、電源５１からインダクタ７１に電流が流れて、インダクタ７１において磁界エネルギーを蓄えられる。スイッチ７３がオフとなった場合、インダクタ７１に蓄積された磁界エネルギーにより、インダクタ７１が電流の流れを継続させるようにインダクタ７１の両端電圧が増加するため、ダイオード７２を通じて負荷５２に電流が供給されるような動作が行なわれる。このような動作により、電源５１から高い電圧を負荷５２に供給することができる（ＤＣ−ＤＣコンバータの基本動作）。
【００４５】
このようなＤＣ−ＤＣコンバータを小型に実現するため、基準電源６１、誤差増幅回路６２、スイッチ制御回路６３を含むＰＷＭ制御回路６０を、ＩＣ化した部品が市販されている。例えば、リニアテクノロジー社のＬＳ１９１９等があり、一般に「ＰＷＭ制御ＩＣ」等の名称で流通している。
【００４６】
なお、図７に示す回路構成において、ダイオード７２（いわゆるフライホイールダイオード）の変わりに、ＦＥＴ等のスイッチを設け、スイッチ７３との協調動作によりＤＣ−ＤＣコンバータを実現することもできる。このような構成を図８に示す。
【００４７】
図８において、図７の構成と異なるのは、スイッチ制御回路６３に代えて端子５０ｄが追加されたスイッチ制御回路６４を設けた点と、ダイオード７２に代えてスイッチ７４を設けた点である。スイッチ７４の切り換え動作は、スイッチ制御回路６４から端子５０ｄ及び７０ｄを介して入力される制御信号によって制御される。スイッチ制御回路６４により、スイッチ７３とスイッチ７４とをオン／オフ切り換え制御することにより、ＤＣ−ＤＣ変換動作を行なわせることができる。このような構成は、いわゆる同期整流形ＤＣ−ＤＣコンバータとして知られている。
【００４８】
次に、第１の充電回路の構成について説明する。
【００４９】
図２は、第１の充電回路の具体的な回路構成を示す回路図である。図２の構成は、燃料電池システムに第１の充電回路を搭載した場合の構成を示している。なお、第１の充電回路は、図２における第１の充電補助回路２１とＰＷＭ制御回路２４と変換回路２５とで構成されている。
【００５０】
図２において、昇圧充電回路２は、燃料電池１とリチウムイオン電池３とに接続され、第１の充電補助回路２１、ＰＷＭ制御回路２４、変換回路２５を備えている。補助回路２１は、基準電源２２、誤差増幅回路２３を備えている。変換回路２５は、インダクタ２６、ダイオード２７、スイッチ２８を備えている。なお、ＰＷＭ制御回路２４の具体構成は、図５のＰＷＭ制御回路６０に示す構成と同等である。
【００５１】
以下、動作について説明する。
【００５２】
図２において、燃料電池１で発生した電圧ＶINに基づく電圧Ｖ1は、端子２ａ及び２１ａを介して誤差増幅回路２３の反転入力端子に入力される。一方、基準電源２２の基準電圧ＶR1は誤差増幅回路２３の非反転入力端子に入力される。誤差増幅回路２３は、入力される電圧Ｖ1と基準電圧ＶR1とを比較し、両電圧の誤差分を増幅して出力する。誤差増幅回路２３の出力電圧は、端子２１ｂを介してＰＷＭ制御回路２４に入力される。
【００５３】
ＰＷＭ制御回路２４は、図７のＰＷＭ制御回路６０に示すように構成されており、誤差増幅回路２３から入力される電圧と基準電圧ＶR3とに基づき、所定のデューティ比を有するＰＷＭパルスを出力する。ＰＷＭ制御回路２４から出力されるＰＷＭパルスはスイッチ２８に入力され、スイッチ２８は一定の周期でオン／オフに切換え制御される。
【００５４】
なお、ＰＷＭ制御回路２４の出力パルスは、そのデューティ比が、誤差増幅回路２３からの出力によって変化する。本例では、誤差増幅回路２３の出力が高くなった場合（入力電圧Ｖ1が低い場合）は、スイッチ２８のオン期間を長くし、リチウムイオン電池３に、より大きな電力を供給している。また、誤差増幅回路２３の出力が低い場合（入力電圧Ｖ1が高い場合）は、スイッチ２８のオン期間を短くし、リチウムイオン電池３に小さな電力を供給している。
【００５５】
ＰＷＭ制御回路２４において、端子２１ｂを介して入力される電圧が上昇する場合、変換回路２５の昇圧動作を低下（すなわち、スイッチ２８のオン時間を縮小しダイオード２７を通じて出力される電流を低下させる）させており、この動作を利用して第１の充電回路２０１（図１参照）を実現している。
【００５６】
具体的な動作としては、燃料電池１の電圧Ｖ1が下降すると、誤差増幅回路２３から端子２１ｂを介してＰＷＭ制御回路２４へ入力される電圧は上昇する。そのため、変換回路２５におけるスイッチ２８のスイッチング動作が低下するので、リチウムイオン電池３の充電電流、すなわち燃料電池１の出力電流が低下し、燃料電池１の電圧ＶIN及び電圧Ｖ1は上昇する。
【００５７】
燃料電池１の出力電圧Ｖ1が下降した場合も同様であり、基準電源２２の設定に応じて、燃料電池１が一定の出力電圧となるように電流制御される。このように制御されるため、基準電源２２の出力電圧ＶR1の設定を、燃料電池１の運転効率が高くなるように設定すれば、燃料電池システムの効率化が図れる。
【００５８】
以上のように構成された第１の充電回路により、燃料電池１の出力電圧を一定に保ちつつ、リチウムイオン電池３への充電を行うことができる。
【００５９】
次に、第２の充電回路の構成について説明する。
【００６０】
図３は、第２の充電回路の具体的な回路構成を示す回路図である。図３の構成は、燃料電池システムに第２の充電回路を搭載した場合の構成を示している。なお、図３において、図２の構成と同様の構成要素については、同一番号を付与して説明は省略する。また、第２の充電回路は、第２の充電補助回路３１とＰＷＭ制御回路２４と変換回路２５とで構成されている。
【００６１】
図３において、第２の充電補助回路３１は、基準電源３２、誤差増幅回路３３、ダイオード３４，分圧抵抗３５及び３６を備えている。さらに、変換回路２５の出力電圧（すなわちリチウムイオン電池３の端子電圧）が入力される端子３１ｄが配され、分圧抵抗３５及び３６に接続されている。
【００６２】
以下、動作について説明する。
【００６３】
図３において、燃料電池１の出力電圧ＶINが高い場合の動作について説明する。この場合、誤差増幅回路３３の出力電圧は低下しているので、ＰＷＭ制御回路２４の入力に対してダイオード３４は逆極性となり、燃料電池１の出力電圧の影響は受けない。一方、リチウムイオン電池３の電圧ＶCGは、分圧抵抗３５及び３６により分圧され、ＰＷＭ制御回路２４に入力される。従って、第２の充電補助回路３１は、図７に基づいて説明したようなＤＣ−ＤＣ変換動作を行うことになり、変換回路２５からは一定の電圧がリチウムイオン電池３に出力され、定電圧充電が行われる。
【００６４】
この場合に、分圧抵抗３５及び３６における分圧比の設定により、リチウムイオン電池３への充電電圧を、所望の電圧（第１の充電電圧）に設定することができる。よって、充電電圧をリチウムイオン電池３の充電の際に利用される終止電圧に設定しておくことにより、リチウムイオン電池３の過充電を防止することができる。
【００６５】
図３に示す構成では、上記のようにリチウムイオン電池３に対して定電圧充電を継続するが、端子３ａ及び３ｂは外部に出力されて外部負荷に電力が供給されているので、外部負荷の状態によっては、リチウムイオン電池３が大きく放電する場合がある。このような場合、リチウムイオン電池３の両端の電圧ＶCGが低下する。電圧ＶCGが低下すると、分圧抵抗３５及び３６によって分圧される電圧が低下するため、ＰＷＭ制御回路２４の入力電圧が低下する。よって、ＰＷＭ制御回路２４は、デューティ比が高いＰＷＭパルスをスイッチ２８へ出力し、スイッチ回路２８はオン期間が長いスイッチング動作が行われる。これにより、燃料電池１は、出力電流が増大し、出力電圧が低下することになる。
【００６６】
過度の電流増加による燃料電池１の出力電圧の低下は、燃料電池１の劣化を招くため、これを防止する必要がある。このような状態が生じた場合、先に図２を参照して説明したように、電圧Ｖ1が低下するため誤差増幅回路３３の出力電圧が上昇し、ダイオード３４を通じてＰＷＭ制御回路２４へ入力される電圧が上昇する。そのため、変換回路２５の変換動作が低下（ＰＷＭ信号のデューティ比が低くなる）し、燃料電池１の出力電流が低下するので、燃料電池１の電圧ＶINの低下を防止できる。
【００６７】
このような動作により、第２の充電回路は、燃料電池１の出力電圧ＶINが第１の設定電圧に対して低下することを防止しつつ、リチウムイオン電池３の充電電圧ＶCGを第１の充電電圧に設定し、定電圧充電制御を継続できる。
【００６８】
なお、外部負荷が大きくなった場合、燃料電池１の出力による充電電流と、リチウムイオン電池３の放電電流との総和により負荷電流が供給され、負荷が低下した場合はリチウムイオン電池３に充電が再開される。このような動作により、リチウムイオン電池３はバッファとしての動作を実現している
また、図面には示さなかったが、燃料電池１を動作させるため、例えばアルミニウム粉への水の供給、或いは、それを加熱する等の処置をする必要があり、そのためのポンプ等の機器、いわゆる補機を動作させる必要があるが、補機を動作させるための電源は、リチウムイオン電池３を利用することで、部品点数の削減などの効果がある。なお、補機へ給電するための構成や動作については、説明を省略する。
【００６９】
また、第２の充電補助回路３１は図３に示す構成に限らず、図４に示すように構成してもよい。図４において、図３に示す第２の充電補助回路３１の構成と異なる点は、増幅回路３７を追加した点である。増幅回路３７は、非反転入力端子に誤差増幅回路３３の出力端子が接続され、反転入力端子にダイオード３４の出力端子が接続されている。また、図５Ａは図３におけるダイオード３４の入力電圧ＶDiと出力電圧ＶDOとの関係を示す特性図で、図５Ｂは図４におけるダイオード３４の入力電圧ＶDiと出力電圧ＶDOとの関係を示す特性図である。
【００７０】
図５Ａに示すように、図３に示す第２の充電補助回路３１の構成では、入力電圧ＶDiに対して出力電圧ＶDOが徐々に上昇する特性であるため、ダイオード３４の導通開始時のダイオード特性や温度依存性により、出力電圧ＶDOが変動（図５Ａの点線に示す特性）する可能性があり、燃料電池１の出力電圧低下を防止する設定電圧の精度等が低下してしまう。一方、第２の充電補助回路を図４に示すように構成すれば、増幅回路３７において増幅された電圧に基づいてダイオード３４が導通状態になるため、出力電圧ＶDOを急峻に立ち上げることができ、温度依存性が少ない出力電圧ＶDOを得ることができる。
【００７１】
以上、リチウムイオン電池３の充電制御を行う第１の充電回路、第２の充電回路の具体的な回路構成や動作について説明したが、次に、両充電回路を搭載した燃料電池システムの概要について説明する。
【００７２】
図６は、第１の充電回路及び第２の充電回路を備えた燃料電池システムの、要素的な内容を説明するためのブロック図である。なお、図６には各充電回路の明確な記述はないが、第１の充電補助回路２１とＰＷＭ制御回路２４と変換回路２５とが動作してリチウムイオン電池３の充電を行う動作が、「第１の充電回路による充電動作」に相当する。また、第２の充電補助回路３１とＰＷＭ制御回路２４と変換回路２５とが動作してリチウムイオン電池３の充電を行う動作が、「第２の充電回路による充電動作」に相当する。
【００７３】
図６において、第１の充電補助回路２１の具体構成は、図２に示した通りである。第２の充電補助回路３１の具体構成は、図３または図４に示した通りである。ＰＷＭ制御回路２４の具体構成は、図５に示した通りである。変換回路２５の具体構成は、図２または図３に示した通りである。
【００７４】
切換回路２９は、前述したように、第１の充電回路及び第２の充電回路はＰＷＭ制御回路２４を通じて制御されるように説明したが、これを利用して切り替えを簡便に実施するように構成している。また、切換回路２９は、リチウムイオン電池３の両端の電圧ＶCGを監視し、電圧ＶCGが第１の充電電圧に達するまでは第１の充電補助回路２１からの出力をＰＷＭ制御回路２４に伝え、電圧が第１の充電電圧に達した後は第２の充電補助回路３１からの出力をＰＷＭ制御回路２４に伝えることにより、２つの充電回路を切り替えて動作させている。
【００７５】
なお、外部負荷によりリチウムイオン電池３が放電する場合を想定して、第２の充電回路で充電中にリチウムイオン電池３の電圧が低下しても、一定のヒステリシスを持たせるように、第２の充電電圧に低下するまでは第２の充電回路による充電を継続する構成にしておいてもよい。
【００７６】
以下、このような切替回路２９の一実施例を、図９を参照して動作を説明する。
【００７７】
図９に於いて、端子２９ａから２９ｅまでの端子は、図６の切替回路２９に示されている端子であり、切替回路の内部回路の接続状態を説明するために図示している。図９の切替回路２９は、スイッチ９０、基準電源９１、コンパレータ９２を備えている。なお、スイッチ９０は説明の都合上、制御電圧が高い（Ｈｉ）の場合、端子２９ａ側を選択するものとする。
【００７８】
このような回路構成では、端子２９ａから入力される第１の充電補助回路２１の信号がスイッチ９０により選択されて端子２９ｅを通じてＰＷＭ制御回路２４に接続される場合には、先に述べたように「第１の充電回路による充電動作」が行われる。一方、スイッチ９０により端子２９ｂの信号が選択されて端子２９ｅに出力される場合は「第２の充電回路による充電動作」が行われる。従って、基準電源９１を第１の充電電圧に設定しておけば、端子２９ｄの電圧が基準電源９１より低い場合、すなわち、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧より低い場合、コンパレータ９２の出力はＨｉとなり、スイッチ９０は端子２９ａを選択するので、「第１の充電回路による充電動作」が行われることになる。
【００７９】
充電が進行し、リチウムイオン電池３の電圧が第１の充電電圧より上昇した場合、コンパレータ９２の出力が反転するのでスイッチ９０は端子２９ｂを選択し、「第２の充電回路による充電動作」が行われる。
【００８０】
このように、切替回路２９により充電動作の切替えを行うが、このような回路構成ではコンパレータ９２の入力にノイズ等が混入される場合、切替えの動作が頻発に発生する問題が生じることがある。そこで、切替に際して、先に説明したように一定のヒステリシスを持たせてもよく、これを実現する為の一実施例を図１０に示し、以下説明する。
【００８１】
図１０は、図９のコンパレータに抵抗９３及び抵抗９４を追加してヒステリシスを持たせ、更に、ヒステリシスの電圧を設定しやすくするためにダイオード９５を追加した構成である。
【００８２】
図１０において、端子２９ｄの電圧が十分に低い場合、コンパレータ９２の出力はＨｉとなるが、この場合、ダイオード９５は非導通方向に電圧が印加されるので、抵抗９３には電流が流れず、基準電源９１の電圧がそのままコンパレータ９２に入力される。従って、基準電源９１の電圧にリチウムイオン電池３の電圧が到達するまで、スイッチ９０は端子２９を選択するので、「第１の充電回路による充電動作」により充電が行われる。
【００８３】
充電が進行するにつれて端子２９ｄのリチウムイオン電池３の電圧が上昇するが、端子２９ｄの電圧が基準電源９１を超えた場合、コンパレータ９２が反転しＬｏｗとなる。この場合、スイッチ９０が端子２９ｂを選択するので、充電動作としては「第２の充電回路による充電動作」が行われる。このとき、同時にダイオード９５が導通状態になるので、抵抗９３を通じて抵抗９４に基準電源９１から電流が流出する方向に電流が流れ、基準電源９１の出力電圧から抵抗９４による電圧降下の分だけ低下した電圧がコンパレータ９２に印加される。従って、第１の充電電圧より低い電圧まで端子２９ｄの電圧が低下しないとコンパレータ９２の出力が再度反転し、Ｈｉとならない。
【００８４】
このように、ヒステリシス動作を持たせることができるが、そのヒステリシスの幅は抵抗９３や抵抗９４を調整することにより設定できる。本実施の形態の特徴は、第２の充電回路に切替える際に、基準電源９１の電圧がそのまま第１の充電電圧となるようにヒステリシスを持たせるように構成したことである。しかし、これ以外にも回路構成方法があることは言うまでもなく、ＩＣ化に際してはコンパレータ９２のトランジスタのゲート幅を変える等の方法により、回路を構成するに必要な素子数を低減することも可能であるが、当業者にとってはよく知られていることなので詳細は省略する。
【００８５】
更に、満充電の判定には、満充電電流として一定電流以下のスレッショルド、例えば第１の満充電電流を設定し、それ以下に充電電流が低下した場合には充電動作を停止させるように制御してもよいことは言うまでもないが、これについても詳細説明は省略する。
【００８６】
以上のように本実施の形態によれば、リチウムイオン電池３が第１の充電電圧に達するまでは燃料電池１の出力電圧が第１の設定電圧となるように燃料電池１の出力電流を制御する第１の充電回路と、リチウムイオン電池３が第１の充電電圧に到達した後に燃料電池１の出力が第１の設定電圧以下へ低下することを防止するよう定電圧充電を行う第２の充電回路とを備え、それぞれの充電回路を選択的に切り換えてリチウムイオン電池３の充電を行う構成としたことにより、燃料電池運転の効率化を図ることができる。また、燃料電池１を保護しつつ、昇圧充電回路２によりリチウムイオン電池３を満充電まで充電させることができる。
【００８７】
また、先の説明では詳細を省いたが、図３に示す構成や、図３に示す構成の一部を図４に示す構成に置き換えた構成だけでも、本発明が目的とする燃料電池の出力の低下を防ぎつつリチウムイオン電池が満充電付近となった場合にＣＶ充電を行うような制御を実現することが可能であるので、回路構成を簡素化できコストダウンすることができる。
【００８８】
以下、先ずは図３に示す構成による動作を説明し、次に図３に示す構成に図４に示す構成を組み込んだ場合の動作を説明することにより、特に図９や図１０に示した切替回路を使用せずとも本願発明の当初の目的を達することができることを示す。
【００８９】
本発明では、先ずは第１の充電回路により燃料電池１の出力電圧を一定に保ちつつリチウムイオン電池３を充電し、その後、充電が進んでくると第２の充電回路によりリチウムイオン電池３の充電電圧を一定に保ちつつ充電する。
【００９０】
充電回路の構成例として、先に説明したように、通常のＤＣ−ＤＣコンバータと同様にＰＷＭ制御回路やインダクタ等を使用し、燃料電池１の出力を昇圧してリチウムイオン電池３に充電しているが、実際に充電回路を作成する場合は、市販のＰＷＭ制御を行なうＩＣを利用することが多いと考えられる。そこで、図２では第１の充電回路の例として、ＰＷＭ制御回路の入力側に極性を反転させて増幅する誤差増幅回路２３を挿入する構成としている。
【００９１】
このように接続することにより、燃料電池１の電圧が低下するとＰＷＭ制御回路２４の入力電圧を上昇させることにより昇圧動作を抑圧し、燃料電池１からの出力電流を低下させる。一方、燃料電池の電圧が上昇すると、ＰＷＭ制御回路２４の入力電圧を低下させて昇圧動作を亢進し、燃料電池１からの出力電流が増大されるので、燃料電池１の出力電圧を一定に保つような閉ループ制御が実現できる。
【００９２】
なお、詳細な説明は省くが、このような誤差増幅回路やＰＷＭ制御用のＩＣを用いて充電回路を構築した場合に、閉ループ制御としては、ＰＷＭ制御用ＩＣ自体の設定の他に、誤差増幅回路２３のゲインや位相の設定等により、より更に細かく設定できるので、安定な充電制御動作を実現できる特徴がある。
【００９３】
一方、図３に示した第２の充電回路の実施形態は、基本的には通常のＤＣ−ＤＣコンバータ制御であり、出力電圧を一定に保つ閉ループ制御を行なっている。
【００９４】
本構成では、このような閉ループ制御の途中に、誤差増幅回路３３の出力を、ダイオード３４を通じてＰＷＭ制御回路２４の入力端子３１ａに接続している。入力端子３１ａの電圧が基準電源３２より低下した場合、ダイオード３４を通じてＰＷＭ制御回路２４の入力電圧を吊り上げる。このような状態は、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧が上昇し過ぎた状態と同じであり、電圧変換動作を抑圧し、充電電流を低下させるように動作する。以上のように、燃料電池１の出力電圧低下防止制御が行なわれる。
【００９５】
リチウムイオン電池３に充電を行なう場合、先ず第１の充電回路２０１により充電が行なわれ、充電終止電圧に到達した以降は第２の充電回路２０２により充電されるが、リチウムイオン電池３のみを充電すると想定した場合、第１の充電回路２０１により先ずは充電されているので、第２の充電回路２０２による充電電流は第１の充電回路２０１による充電電流に比べて減少している。従って、第２の充電回路２０２による充電に際しては、第１の充電回路２０１による充電に比べて、燃料電池１の出力電流は低下し、出力電圧は上昇する。このような場合、誤差増幅回路３３等を利用した燃料電池１の出力電圧低下防止制御は動作しない。
【００９６】
ただし、第２の充電回路２０２で充電中でも燃料電池システムとしては負荷を繋いでいるため、負荷が重くなった場合、出力電流が増大しリチウムイオン電池３の電圧が低下することがある。そのため、ＤＣ−ＤＣコンバータ動作としては燃料電池１から電力を引き出して、充電動作を継続する。
【００９７】
そのため、負荷の状態によっては、燃料電池１の出力電流の増大し、出力電圧が大幅に低下する恐れがある。そこで、誤差増幅回路３３等により構成した電圧低下を防止する手段を用いて燃料電池１の出力電圧の低下を防止する。
【００９８】
このような特徴を持つ第１の充電回路２０１と第２の充電回路２０２とを切替えることにより、燃料電池１やリチウムイオン電池３の保護を行ないつつ安定に充電動作を継続させている。
【００９９】
しかし、誤差増幅回路３３等により構成した電圧低下を防止する回路を積極的に利用すると、図３や、図３の一部に図４を適用した回路構成、即ち、第２の充電回路２０２だけで燃料電池１の出力電圧を一定に保ちつつ、リチウムイオン電池３が終止電圧に達した場合にＣＶ充電を行なわせる動作が可能となる。
【０１００】
これは、第２の充電回路２０２の一実施例として示した図３に示す構成では、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を終止電圧となるように設定しているが、このような設定の場合、リチウムイオン電池３の電圧が低下すると、可能な限りＤＣ−ＤＣコンバータの動作を亢進し、コンバータ出力電圧を上昇させるように閉ループ制御が働く。そのため、閉ループ制御により、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流を可能な限り増大させ、燃料電池１の出力電圧が急激に低下するように動作する。
【０１０１】
しかし、誤差増幅回路３３等によって構成された、燃料電池１の電圧低下防止手段が働くことにより、ＰＷＭ制御回路へ入力されるＤＣ−ＤＣコンバータ出力電圧の低下を防止し、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換動作が抑圧されるので、燃料電池１の出力電圧が基準電源３２で設定された電圧より低下することはない。
【０１０２】
従って、充電動作としては、燃料電池１の動作状態は、燃料電池１の出力電圧低下防止制御で決まる出力電圧と水素供給量から決まる出力電流により決まり、更に、リチウムイオン電池３の充電電流は、燃料電池１の出力電圧と電流、及びリチウムイオン電池３の電池電圧とから決まる。
【０１０３】
また、さらに充電が亢進し、リチウムイオン電池３の電池電圧がＤＣ−ＤＣコンバータとして設定した充電終止電圧に達すると、端子３１ｂに印加され分圧されたリチウムイオン電池３の電圧が、ＰＷＭ制御回路２４によるＤＣ−ＤＣコンバーター動作を停止する電圧付近となるので、充電動作が抑圧され、充電電流が減少する。それに伴い、燃料電池１からの出力電流が低下するので、燃料電池１の出力電圧が上昇し、誤差増幅回路３３の出力電圧は低下する。このため、ダイオード３４が逆極性となってカットオフするので、誤差増幅回路３３等により構成された燃料電池１の電圧低下防止手段が動作することはなくなり、分圧抵抗３５等で構成されるＤＣ−ＤＣコンバーターの閉ループ制御による定電圧充電制御のみ（即ち、第１の充電手段のみ）が動作するようになる。
【０１０４】
なお、燃料電池システムの負荷が増大しリチウムイオン電池３の電圧が低下した場合は、最初の制御動作に戻って、ＤＣ−ＤＣコンバータ制御と電圧低下防止制御とが平衡する状態で充電が継続する。
【０１０５】
以上のように、特に切替回路を利用することなく当初の充電動作を行なうことが、図３に示す回路構成だけによって実現できるので、回路構成を簡素化でき、コストダウンすることができる。
【０１０６】
なお、先に図４の実施形態について、温度特性の向上等が実現できる旨を説明したが、図４の構成を図３に組み込んだ構成でも、第１及び第２の充電動作が可能である。これにより、精度向上を図りつつ、回路の簡素化とコストダウンが達成できる。以下、詳細に説明する。
【０１０７】
図３の例では、ＤＣ−ＤＣコンバータとしての制御において、リチウムイオン電池３をＣＶ充電する際の終止電圧は、同様な材質で構成される抵抗３５や抵抗３６により分圧されて決まるので、ＣＶ充電での充電電圧自体の誤差は生じにくい。しかし、先に図４の説明において示したように、燃料電池１の出力電圧が一定電圧以下に低下しないように制御している最中には、ダイオードの両端電圧が燃料電池１の出力電圧の低下を防止する設定電圧の一部として含まれ、燃料電池１の出力電圧低下を防止する設定電圧の精度等が低下してしまう。
【０１０８】
通常、ＰＷＭ制御回路２４の入力インピーダンスは大きいので、ダイオード３４の負荷は抵抗３５、抵抗３６となり、その負荷を通じてダイオード３４中に電流が流れる。その際、誤差増幅回路３３のゲイン設定や抵抗値の設定によっては、図５Ａで示したように、ダイオード３４の電流電圧特性、特に温度特性によって、ダイオード３４の両端の電位差が変化するので、燃料電池１の出力電圧が変化する恐れがある。
【０１０９】
そこで、図４に示したようにダイオード３４を増幅回路３７のループ内に入れることにより、ダイオード動作をオンオフ動作とさせ、ダイオードの温度特性等を解消する。
【０１１０】
今、抵抗により分圧された出力であるＶdiの電位よりも、端子３１ａを誤差増幅回路３３で反転増幅したＶdoの電位の方が低い場合、これは、燃料電池１の出力電圧が高い場合に相当するが、このような場合、増幅回路３７の出力電圧は低下するのでダイオード３４は逆極性となり、ダイオード３４はオフとなる。従って、誤差増幅回路３３の出力の影響は端子３１ｂには全く表れなくなる。
【０１１１】
これに対し、Ｖdiの電位よりＶdoの電位の方が高い場合、これは、燃料電池１の出力電圧が低下した場合に相当するが、増幅回路３７の−端子より＋端子のほうが低電圧となる。この場合、増幅回路３７の出力は上昇するのでダイオード３４に印加される電圧は順方向の極性となり、ダイオード３４はオンとなり導通する。このため、増幅回路３７の出力によりＶdoの電位を上昇させようとする。しかし、Ｖdoは−端子に接続されているので、反転増幅され、Ｖdoの電位を逆に下降させようとするフィードバック制御となる。そのため、Ｖdoを上昇させ、できるだけＶdiに近づける制御を行い、Ｖdiの出力が端子３１ｂに表れることになり、誤差増幅回路３３が端子３１ｂに接続されることになる。
【０１１２】
従って、この場合、誤差増幅回路３３の出力によりＰＷＭ制御回路２４が動作することになり、第１の制御回路と同様の動作となる。
【０１１３】
また、ダイオード３４はオンオフ動作となるので、誤差は増幅回路３７のオフセット電圧等の誤差となるが、通常、これらのオフセット電圧の誤差や温度特性は良好である。従って、ダイオード３４の有する温度特性が表れ難く、燃料電池１の出力電圧の誤差が殆ど生じなくなる。
【０１１４】
以上、当業者にとっては良く知られたダイオード接続等の動作について説明したが、このような回路構成を燃料電池システムに組み入れることにより、燃料電池１の出力電圧設定誤差が少なく、また、リチウムイオン電池３の充電電圧精度の維持やそれに伴うリチウムイオン電池３の保護動作が実現できるので、燃料電池システムとしてコストダウンを図った好適な充電手段を構築できる。
【０１１５】
なお、本実施の形態では、燃料電池１における発電の燃料は水素であるが、他の燃料であってもよい。また、本実施の形態では、燃料電池１で発生された電力をリチウムイオン電池３に充電させているが、充電させる二次電池はこれに限らない。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明は、小型携帯機器用の燃料電池システムに有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２】燃料電池システムを実現するための回路例を示す回路図
【図３】燃料電池システムを実現するための回路例を示す回路図
【図４】第２の充電補助回路の別の構成例を示す回路図
【図５Ａ】図３におけるダイオード３４の入出力電圧の特性図
【図５Ｂ】図４における増幅回路３７の入力電圧及びダイオード３４の出力電圧の特性図
【図６】燃料電池システムの一例を示すブロック図
【図７】ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図
【図８】ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を示す回路図
【図９】切換回路の構成を示す回路図
【図１０】切換回路の構成を示す回路図
【符号の説明】
【０１１８】
１  燃料電池
１０１  水素発生部
１０２  アルミニウム粉
１０３  水素
１０４  ＰＥＦＣ
２  充電昇圧回路
２０１  第１の充電回路
２０２  第２の充電回路
２０３  切換回路
３  リチウムイオン電池
４  出力端子
【図１】
2007299532.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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